Реферат: Двигатель Стирлинга - прошлое, настоящее и будущее
Ââåäåíèå
21ñåíòÿáðÿ 1816ãîäà âÝäèíáóðãå,ñòîëèöåØîòëàíäèèÐîáåðòÑòèðëèíãçàïàòåíòîâàëìàøèíó,êîòîðóþ îííàçâàë"ýêîíîìàéçåð"(economiser ).  ðåàëüíîéæèçíèÐîáåðòÑòèðëèíãáûë ñâÿùåííèêîìøîòëàíäñêîéöåðêâè èïðîäîëæàë âåñòèñëóæáû, õîòÿåìó ê ýòîìóâðåìåíèèñïîëíèëîñüâîñåìüäåñÿòøåñòü ëåò. Âñâîáîäíîåâðåìÿ â ñâîåéäîìàøíåé ìàñòåðñêîéîíêîíñòðóèðîâàëòåïëîâûå ìàøèíû.Îäíó èç åãîðàáîòàâøèõìîäåëåé ïîçäíååèñïîëüçîâàëëîðä Êåëüâèíäëÿ ñâîèõ óíèâåðñèòåòñêèõëåêöèé.
<img src="/cache/referats/781/image001.gif" v:shapes="_x0000_i1025">
Îäèíèç ïåðâûõäâèãàòåëåéÑòèðëèíãà
Âòî âðåìÿäâèãàòåëüÑòèðëèíãàïîëó÷èë ïðèçíàíèåêàêíàäåæíàÿïàðîâàÿìàøèíà, êîòîðàÿíèêîãäà íåâçðûâàåòñÿ,êàê ýòî äîâîëüíî÷àñòîñëó÷àëîñü ñäðóãèìèòèïàìè ïàðîâûõäâèãàòåëåéâ òå âðåìåíà.
 1850ïðîñòàÿ èýëåãàíòíàÿäèíàìèêàäâèãàòåëÿÑòèðëèíãàáûëà âïåðâûåòåîðåòè÷åñêèîïèñàíàïðîôåññîðîìÐýíêèíîìÌàêÊîðíîì ( ProfessorMcQuorne Rankine ). Ïðèáëèçèòåëüíî÷åðåç ñòîëåò òåðìèí"Äâèãàòåëü Ñòèðëèíãà"áûëèñïîëüçîâàíÐîëüôîì Ìåéåðîì(Rolf Meijer) äëÿîáîçíà÷åíèÿâñåõ òèïîâðåãåíåðàòèâíûõïàðîâûõìàøèíçàìêíóòîãîöèêëà.
ÄâèãàòåëüÑòèðëèíãàÿâëÿåòñÿóíèêàëüíîéòåïëîâîéìàøèíîé,ïîñêîëüêóåãî òåîðåòè÷åñêàÿýôôåêòèâíîñòüïðàêòè÷åñêèðàâíàìàêñèìàëüíîéýôôåêòèâíîñòèòåïëîâûõìàøèí (ýôôåêòèâíîñòüöèêëà Êàðíî ).ÄâèãàòåëüÑòèðëèíãàðàáîòàåò çàñ÷åò òåïëîâîãîðàñøèðåíèÿãàçà, çàêîòîðûìñëåäóåò ñæàòèåãàçà ïîñëååãîîõëàæäåíèÿ.ÄâèãàòåëüÑòèðëèíãàñîäåðæèòíåêîòîðûéïîñòîÿííûéîáúåìðàáî÷åãîãàçà,êîòîðûéïåðåìåùàåòñÿìåæäó"õîëîäíîé"÷àñòüþ(îáû÷íî êîìíàòíîéòåìïåðàòóðû)è "ãîðÿ÷åé"÷àñòüþ, êîòîðÿîáû÷íîðàçîãðåâàåòñÿçà ñ÷åò ñæèãàíèÿëþáîãî âèäàòîïëèâà,àòîìíûìðåàêòîðîìèëè çà ñ÷åòñîëíå÷íîãîòåïëà. Íàãðåâïðîèçâîäèòñÿñíàðóæè,ïîýòîìóäâèãàòåëüÑòèðëèíãàîòíîñÿò êäâèãàòåëÿìâíåøíåãîñãîðàíèÿ.
Ñìîìåíòàèçîáðåòåíèÿáûëîðàçðàáîòàíîáîëüøîåêîëè÷åñòâîðàçëè÷íûõðàçíîâèäíîñòåéäâèãàòåëåéÑòèðëèíãà ñöåëüþïîâûøåíèÿìîùíîñòè èýôôåêòèâíîñòè.Òåì íå ìåíåå,îíèóñòóïàëè ïîóäåëüíîéìîùíîñòèäâèãàòåëÿìÎòòî è Äèçåëÿ.ÄâèãàòåëüÎòòî,èçîáðåòåííûéâ 1877 ãîäó è äâèãàòåëüÄèçåëÿ,èçîáðåòåííûéâ 1893 èìåëè áîëååâûñîêóþóäåëáíóþìîùíîñòü,÷åì äâèãàòåëèÑòèðëèíãàòîãîâðåìåíè. Ýòîïðèâåëî êïîñòåïåííîìóâûòåñíåíèþäâèãàòåëÿ Ñòèðëèíãàèçïðîìûøëåííîñòè.Îíè åùå øèðîêîïðèìåíÿëèñüâ íà÷àëåíàøåãî âåêàíà ôåðìàõ èøàõòàõ — âîñíîâíîì äëÿïðèâåäåíèå âäåéñòâèåðàçëè÷íûõ íàñîñîâè äðóãèõïðèìåíåíèé,ãäå íå òðåáóåòñÿâûñîêàÿóäåëüíàÿìîùíîñòü, àîñíîâíûìèêðèòåðèÿìèÿâëÿþòñÿíàäåæíîñòüè ýêîíîìè÷íîñòü.Íî ê 1940 ãîäó èõâûïóñê áûëïðåêðàùåí.
<img src="/cache/referats/781/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1026">
ÄåìîíñòðàöèîííàÿìîäåëüäâèãàòåëÿÑòèðëèíãà
ÄîâîëüíîäîëãîäâèãàòåëèÑòèðëèíãàèñïîëüçîâàëèñüëèøü êàêèãðóøêè èó÷åáíûå ïîñîáèÿâ øêîëàõ èóíèâåðñèòåòàõïðè èçó÷åíèèòåðìîäèíàìèêè.Íî âïîñëåäíèåãîäû èíòåðåñê äâèãàòåëþÑòèðëèíãàáûñòðî âîçðàñòàåò.Íà÷àòïðîìûøëåííûéâûïóñê äîìàøíèõýëåêòðîãåíåðàòîðîâíàäâèãàòåëå Ñòèðëèíãà( ñì. ïðèëîæåíèå1 ).ÍàöèîíàëüíûìÀýðîêîñìè÷åñêèìÀãåíòñòâîìÑØÀ (NASA) áûëèïðîâåäåíûñðàâíèòåëüíûåîöåíêèðàçëè÷íûõòèïîâ òåïëîâûõìàøèí äëÿèñïîëüçîâàíèÿâ êîñìè÷åñêîéàïïàðàòóðå (ñì.ïðèëîæåíèå 2 ).Äâèãàòåëü Ñòèðëèíãàáûë ïðèçíàííàèáîëååïåðñïåêòèâíûìèç-çà ñâîåãîâûñîêîãî êïäè íàäåæíîñòè.Âûïóñêàþòñÿõîëîäèëüíûåóñòàíîâêè,ðàáîòàþùèåíà îáðàòíîìöèêëåÑòèðëèíãà — êàêïðîìûøëåííûå,ïîçâîëÿþùèåïîëó÷àòüòåìïåðàòóðóäî -2400Ñ ( ñì.ïðèëîæåíèå 3 ),òàê èïðåäíàçíà÷åííûåäëÿèñïîëüçîâàíèÿâ áûòîâûõõîëîäèëüíèêàõ. ïîñëåäíåìñëó÷àå èõïðåèìóùåñòâàïåðåäòðàäèöèîííûìèñèñòåìàìèîáóñëîâëåíûòåì, ÷òî âêà÷åñòâåõëàäîãåíòàâ íèõ ìîæåòáûòüèñïîëüçîâàíîáû÷íûéâîçäóõ.
Òàêèìîáðàçîì,ìîæíîñêàçàòü, ÷òîèñòîðèÿäâèãàòåëÿÑòèðëèíãàäàëåêî íåçàêîí÷åíà.Åãîðàçâèòèåâõîäèò âíîâûéìíîãîîáåùàþùèéýòàï.
<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">Ïðèíöèïðàáîòû èóñòðîéñòâî.
ÄâèãàòåëüÑòèðëèíãàÿâëÿåòñÿòåïëîâîé ìàøèíîéçàìêíóòîãîöèêëà. Åãîðàáîòà îñíîâàíàíàðàñøèðåíèèãàçà,èñïîëüçóåìîãîêàê ðàáî÷ååòåëî, ïðèïîâûøåíèèòåìïåðàòóðû.Íàñëåäóþùåìðèñóíêåïðèâåäåíûäèàãðàììûäëÿèäåàëüíîãîöèêëà Ñòèðëèíãàâêîîðäèíàòàõäàâëåíèå-îáüåìP-V è òåìïåðàòóðà-ýíòðîïèÿT-S èèëëþñòðàöèèñîîòâåòñòâóþùèõïðîöåññîâ.
<img src="/cache/referats/781/image003.gif" v:shapes="_x0000_i1027">
<img src="/cache/referats/781/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1028">
Íàäèàãðàììàõöèôðàìèîáîçíà÷åíûòî÷êè,ðàçäåëÿþùèåýòàïûðàáîòûäâèãàòåëÿ.Íà ïåðâîìýòàïå (1-2)ïðîèñõîäèòèçîòåðìè÷åñêîåðàñøèðåíèåãàçà. Äàëåå,íàñëåäóþùåìýòàïå (2-3) — îõëàæäåíèåïðèïîñòîÿííîìîáúåìå. Äàëåå(ýòàï 3-4) — èçîòåðìè÷åñêîåñæàòèå îõëàæäåííîãîãàçà. Èíàêîíåö íàýòàïå 4-1ðàçîãðåâ ïðèïîñòîÿííîìîáúåìå.Ïîëåçíàÿðàáîòàïðîèçâîäèòñÿãàçîì òîëüêîíà ïåðâîìýòàïå. Âñåîñòàëüíûåïðîèñõîäÿòçà ñ÷åòçàïàñåííîé÷àñòèýíåðãèè(îáû÷íî,ýíåðãèèâðàùàþùåãîñÿêîëåñà).
ÑóùåñòâóþòäâàîñíîâíûõòèïàäâèãàòåëåéÑòèðëèíãà,îòëè÷àþùèõñÿóñòðîéñòâîìöèëèíäðîâ. Âïåðâîì — òàêíàçûâàåìîìäâóõöèëèíäðîâîì(Two pistons type Stirling engine)èñïîëüçóþòñÿðàçäåëüíûåöèëèíäðû äëÿíàãðåâàíèÿèîõëàæäåíèÿ ðàáî÷åãîãàçà.
<img src="/cache/referats/781/image005.gif" v:shapes="_x0000_i1029">
ÄâóõöèëèíäðîâûéäâèãàòåëüÑòèðëèíãà
Íàýòîìðèñóíêåâåðõíÿÿ÷àñòüãîðÿ÷åãî öèëèíäðàñ ïîðøíåì (hot piston)ïîñòîÿííîðàçîãðåâàåòñÿâíåøíèìèñòî÷íèêîìòåïëà, â òîâðåìÿ, êàêâåðõíÿÿ÷àñòü õîëîäíîãîöèëèíäðà ñïîðøíåì (cold piston)ïîñòîÿííîîõëàæäàåòñÿ.Ñëåäóåòîáðàòèòüâíèìàíèå,÷òî ïîðøíèçàêðåïëåíûíàêîëåí÷àòîìâàëó (crank shaft) òàê,÷òîîáåñïå÷èâàþòñäâèã ïîôàçå íà 90 ãðàäóñîâ,ò.å. â òî âðåìÿ,êàê ãîðÿ÷èéïîðøåíü äîñòèãàåòâåðõíåãîïîëîæåíèÿ,õîëîäíûé íàõîäèòñÿâ ñðåäíåìïîëîæåíèè,äâèãàÿñü ââåðõ.Ýòîò ìîìåíòñîîîòâåòñòâóåòýòàïó 2-3 íàïðåäûäóùåìðèñóíêå — îõëàæäåíèþïðè ïîñòîÿííîìîáúåìå.Çàòåìõîëîäíûéïîðøåíüïîäíèìàåòñÿââåðõ,ñæèìàÿîõëàæäåííûéãàç ïðèïîñòîÿííîéòåìïåðàòóðå — ýòàï 3-4. Êîãäàõîëîäíûéïîðøåíüâûòåñíÿåòîõëàæåííûéè ñæàòûéãàç âãîðÿ÷èéöèëèíäð, òîòðàçîãðåâàåòñÿïðèïîñòîÿííîìîáúåìå — ýòàï4-1. È íàêîíåö,ãîðÿ÷èé ãàçðàñøèðÿåòñÿ,òîëêàÿïîðøåíü âãîðÿ÷åìöèëèíäðåâíèç — ýòàï 1-2.Íàïîñëåäíåìýòàïåâûäåëÿåòñÿìîùíîñòü,÷àñòüêîòîðîéçàïàñàåòñÿâðàùàþùèìñÿêîëåñîì (flywheel).
Âäðóãîéêîíñòðóêöèè — äâèãàòåëåÑòèðëèíãàïîðøíåâîãîòèïà (Displacer type Stirling engine) — èñïîëüçóåòñÿîäèí öèëèíäð,îäíàñòîðîíàêîòîðîãî(âåðõíÿÿ íàïðèâåäåííîìíèæåðèñóíêå)ïîñòîÿííîîõëàæäàåòñÿ,à äðóãàÿ — ïîñòîÿííîíàãðåâàåòñÿ.Ïîðøåíü-äèñïëåéñåð(displacer),ðàçäåëÿþùèé õîëîäíóþè ãîðÿ÷óþ÷àñòèöèëèíäðà,íåïëîòíîïðèëåãàåò êñòåíêàìöèëèíäðà,÷òî ïîçâîëÿåòãàçóïåðåìåùàòüñÿìåæäó íèìè. Âýòîéêîíñòðóêöèèïîðøíè òàêæå çàêðåïëåíûíàêîëåí÷àòîìâàëó ñîñäâèãîì ïîôàçå íà 90ãðàäóñîâ.Äâèãàòåëüðàáîòàåòïîòîìó æåïðèíöèïó,÷òî èïðåäûäóùàÿêîíñòðóêöèÿ.
<img src="/cache/referats/781/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1030">
ÄâèãàòåëüÑòèðëèíãàïîðøíåâîãîòèïà
È âòîé, è âäðóãîéêîíñòðóêöèèòåïëîâàÿ ýíåðãèÿíàãðåâàòåëÿïðåîáðàçóåòñÿâìåõàíè÷åñêóþýíåðãèþâðàùåíèÿâàëà. Îäíàêî,âîçìîæíîèñïîëüçîâàíèåè îáðàòíîãîöèêëàÑòèðëèíãà — åñëè çà ñ÷åòâíåøíåãîäâèãàòåëÿâðàùàòü âàëâ ýòèõìàøèíàõ,ðàáî÷èé ãàçáóäåò äâèãàòüñÿïî òîìó æåöèêëó. Ïðèýòîì "ãîðÿ÷èé"öèëèíäðáóäåòîõëàæäàòüñÿ,à "õîëîäíûé"-ðàçîãðåâàòüñÿ.Òî åñòüäâèãàòåëüÑòèðëèíãà âýòîì ñëó÷àåáóäåòðàáîòàòüêàê òåïëîâîéíàñîñ, ò.å.õîëîäèëüíàÿìàøèíà. Ðàáî÷èìòåëîì â íåììîæåòñëóæèòüëþáîé ãàç, âòîì ÷èñëå èàòìîñôåðíûéâîçäóõ.
<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">Ïåðñïåêòèâûèñïîëüçîâàíèÿ.
Ðàçâèòèåíàóêè èòåõíèêèðèâåëî êîáðàçîâàíèþíîâûõ"ýêîëîãè÷åñêèõíèø", â êîòîðûõñ óñïåõîììîæåòïðèìåíÿòüñÿäâèãàòåëüÑòèðëèíãà.Íåêîòîðûåèç íèõïîêàçàíû íàïðèâåäåííûõíèæåðèñóíêàõ.
<img src="/cache/referats/781/image007.gif" v:shapes="_x0000_i1031">
ÏåðñïåêòèâíûåïðèìåíåíèÿäâèãàòåëÿÑòèðëèíãà.
Íàïåðâîì èçíèõ ïîêàçàíïðèìåðñîëíå÷íîéýíåðãåòè÷åñêîéóñòàíîâêè (solarpower system). Âûñîêèéê.ï.ä.,ïðîñòîòà èíàäåæíîñòüêîíñòðóêöèèäâèãàòåëÿÑòèðëèíãàîáóñëàâëèâàþòýôôåêòèâíîñòüåãîèñïîëüçîâàíèÿâ äàííûõ ñèñòåìàõ.Ñîëíå÷íûéñâåòôîêóñèðóåòñÿâîãíóòûìèçåðêàëàìè äëÿðàçîãðåâàäâèãàòåëÿ (âêà÷åñòâåèñòî÷íèêàòåïëà).  ðîëèîõëàäèòåëÿìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿîêðóæàþùèéàòìîñôåðíûéâîçäóõ. Ðîëüòàêîãîýêîëîãè÷åñêè÷èñòîãî èñòî÷íèêàýíåðãèè âñîâðåìåííîììèðå ëåãêîîöåíèòü.
Íàâòîðîìðèñóíêåñõåìàòè÷åñêèèçîáðàæåíòåïëîâîéíàñîñÂóëëåìåéåðà(Vuillemeier Heat Pump). Èçâåñòíî,÷òî ïðèèñïîëüçîâàíèèîáðàòíîãîöèêëàÑðèðëèíãà,ò.å. åñëè,íàïðèìåð,ïðèâîäèòüäâèãàòåëüÑòèðëèíãà âäâèæåíèå ñïîìîùüþêàêîãî-ëèáîâíåøíåãîèñòî÷íèêà(íàïðèìåð,åùå îäíîãîäâèãàòåëÿÑòèðëèíãà),òî "ãîðÿ÷èé"öèëèíäðáóäåòîõëàæäàòüñÿ,à "õîëîäíûé"-ðàçîãðåâàòüñÿ.Åñëè ïðèýòîì ðàçîãðåâàòü"ãîðÿ÷èé"öèëèíäð(íàïðèìåð,îêðóæàþùèìâîçäóõîì), òî"õîëîäíûé"öèëèíäð áóäåòðàçîãðåâàòüñÿäî áîëååâûñîêîéòåìïåðàòóðû.Ïðè ýòîìâíåøíÿÿýíåðãèÿðàñõîäóåòñÿíåíåïîñðåäñòâåííîíà ðàçîãðåâ,à íà "ïåðåêà÷êó"òåïëà èçõîëîäíîãîìåñòà â áîëååòåïëîå, ÷òîãîðàçäîýôôåòèâíåå.Äëÿ èäåàëüíîãîñëó÷àÿê.ï.ä.òàêîéñèñòåìûìîæåò áûòüïîñ÷èòàíêàê
<img src="/cache/referats/781/image009.gif" v:shapes="_x0000_i1032">
ãäå
Òñ — àáñîëþòíàÿòåìïåðàòóðàõîëîäíîé÷àñòè
Òh — àáñîëþòíàÿòåìïåðàòóðàãîðÿ÷åé÷àñòè
Ïîñêîëüêóäàæå âñèëüíûåìîðîçû Òñðåäêîîïóñêàåòñÿíèæå 250ãðàäóñîâÊåëüâèíà, äëÿïîääåðæàíèÿÒh íàóðîâíå 300ãðàäóñîâÊåëüâèíà ( 270)ê.ï.ä.ñîñòàâëÿåò250/(300-250)=5. Òî åñòü,çàòðàòèâ 1êÂò.÷ýëåêòðîýíåðãèèíà ðàáîòóòåïëîâîãîíàñîñà, ìûïîëó÷èì â 5ðàç áîëüøåòåïëà, ÷åì åñëèáû ïîäàâàëèòó æåìîùíîñòüïðÿìî íà ýëåêòðîíàãðåâàòåëü.Îòñþäàëåãêî ïîíÿòüèíòåðåñ êòåïëîâûìíàñîñàì íàîñíîâåöèêëà Ñòèðëèíãà.
ÍàñëåäóþùåìðèñóíêåïðåäñòàâëåíêðèîêóëåðÑòèðëèíãà (Stirlingcryocooler). Îíðàáîòàåò ïîòîìó æåïðèíöèïóòåïëîâîãîíàñîñà, íîèñïîëüçóåòñÿâ êà÷åñòâå õîëîäèëüíîéóñòàíîâêèäëÿïîëó÷åíèÿî÷åíüíèçêèõòåìïåðàòóð.Äàëåå áóäóòáîëåå ïîäðîáíîîïèñàíûïåðñïåêòèâûèïðåèìóùåñòâàóñòðîéñòâýòîãî òèïà.
ÍàïîñëåäíåìðèñóíêåïîêàíäâèãàòåëüÑòèðëèíãà,óñòàíîâëåííûéíà àòîìíîéïîäâîäíîéëîäêå.Ïîñêîëüêó âýòîì ñëó÷àåâåñ è ãàáàðèòûäâèãàòåëÿíå èãðàþòðåøàþùåé ðîëè,âûñîêèé ê.ï.ä.èíàäåæíîñòüäåëàþò åãî èäåàëüíûìêàíäèäàòîìäëÿïðåîáðàçîâàíèÿòåïëîâîéýíåðãèè,âûðàáàòûâàåìîéàòîìíûìðåàêòîðîì, âìåõàíè÷åñêóþ.Áëàãîäàðÿòîìó, ÷òîäâèãàòåëüÑòèðëèíãàïðàêòè÷åñêèíåíóæäàåòñÿ âóõîäå èíàñòðîéêå,îí ìîæåòáûòüðàçìåùåí âèçîëèðîâàííîé÷àñòèêîðïóñà, ÷òîîñîáåííîñóùåñòâåííîâ ñëó÷àåçàòðóäíåííîãîäîñòóïà (êàê âñëó÷àå ïîäâîäíûõëîäîê èëèêîñìè÷åñêèõàïïàðàòîâ).Òàê,ñïåöèàëèñòàìèNASA ( ÍàöèîíàëüíîãîÀýðîêîñìè÷åñêîãîÀãåíòñòâàÑØÀ) áûëèïðîäåëàíûïðåäâàðèòåëüíûåïðîðàáîòêèïðîåêòàñîçäàíèÿîáèòàåìîéáàçû íà Ëóíå( ñì.ïðèëîæåíèå 2 ).Ïðîåêòîìïðåäóñìàòðèâàåòñÿïîñòåïåííîå,"ýâîëþöèîííîå"ñòðîèòåëüñòâîáàçû — íà÷èíàÿ ñìàëåíüêîãîîáèòàåìîãîìîäóëÿ è äîáîëüøîéïðîèçâîäñòâåíîéáàçû ñïîëíîé îáðàáîòêîéïîëåçíûõèñêîïàåìûõ. êà÷åñòâå îñíîâíîãîèñòî÷íèêàýíåðãèè äëÿðàáîòû âóñëîâèÿõëóííîéïîâåðõíîñòèáûë âûáðàíàòîìíûéðåàêòîð SP-100 ñòåïëîâîéìîùíîñòüþ 2500êÂò è 8ýëåêòðè÷åñêèõãåíåðàòîðîâ,ðàáîòàþùèõîòäâèãàòåëåéÑòèðëèíãà.&Aum